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1 概述

Nastran 是美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，简称 NASA，又称美国宇航局）为适应各种工程分析问题而开发的多用途有限元分析程序。这个系统称为 NASA Structural Analysis System，命名为Nastran。

20世纪60年代初，美国宇航局为登月需要，决定使用有限元法开发大型结构分析系统，并能在当时所有大型计算机上运行。MacNeal-Scherndler Corporation（即MSC公司）是开发小组主要成员。Nastran程序最早在1969年通过COSMIC（Computer Software Management and Information Center）对外发行，一般称为COSMIC.Nastran。之后又有各种版本的Nastran程序发行，其中以MSC公司所开发的MSC.Nastran程序用户较为广泛。长期以来MSC.Nastran已成为标准版的Nastran，是全球应用广泛的分析程序之一。

2 软件功能

基本功能

Nastran 的基本模块支持各种材料模式的线性分析,包括：均质各向同性材料、正交各向异性材料、各向异性材料和随温度变化的材料等。

♦ 具有惯性释放的静力分析：

考虑结构的惯性作用，可计算无约束自由结构在静力载荷和加速度作用下产生的准静态响应

♦ 线性静力分析中，可以定义接触和粘接，为装配体的线性分析提供了方便且精确的方法。

♦ 线性屈曲：可以考虑固定的预载荷，也可使用惯性释放。

♦ 正则模态分析

动力学分析

结构动力学分析是Nastran的主要强项之一，它具有其它有限元分析软件所无法比拟的强大分析功能。Nastran动力学分析功能包括时间域的瞬态响应和频率域的频率响应分析，方法有直接积分法和模态法，同时考虑各种阻尼如结构阻尼、材料阻尼和模态阻尼效应的作用。Nastran 动力学响应分析可以准确预测结构的动力特性，大大提高虚拟产品开发的成熟度，改善物理样机的产品品质。主要包括以下分析类型

♦ 正则模态和复特征值分析

♦ 非线性模态（即预应力模态）分析

♦ 频率响应分析

♦ 瞬态响应分析

♦ 强迫运动分析

♦ 随机振动分析

♦ 冲击谱和谱响应分析

♦ 动力灵敏度和优化分析

♦ 部件频响应函数分析 (FRF)

♦ 基于频响应函数的装配分析

Nastran不但可以求解部件和装配件的频率响应函数，而且具有频响函数装配功能，通过频响函数装配，可以由部件或子系统的频响函数得到整个装配件的频率响应函数，从而研究系统各部件之间的耦合关系，确定振动和噪声的传递路径，为减振降噪提供工程指导。

流-固耦合和声场分析

流-固耦合分析主要用于解决流体(含气体)与结构之间的相互作用。主要应用在汽车NVH、列车车辆和飞机客舱等的内噪音预测分析，以及考虑流体质量影响的流体中结构如舰船的模态特性分析等。Nastran 中拥有多种方法求解完全的流——固耦合分析问题,包括：

 ♦ 流-固耦合法：流-固耦合法广泛用于声学和噪音控制领域中,如发动机噪声控制、汽车车厢和飞机客舱内的声场分布控制和研究、NVH等。分析过程中,利用直接法和模态法进行动力响应分析。流体假设是无旋和可压缩的, 分析的基本控制方程是三维波方程，两种特殊的单元被用来描述流——固耦合边界。此外，Nastran新增加的声吸收单元可以精确描述材料的频变吸声性能，方便地模拟汽车中的座椅，内饰材料等。(噪)声学载荷由节点的压力来描述,既可以是常量,也可以是与频率或时间相关的函数,还可以是声流容积、通量、流率或功率谱密度函数。对不同结构产品的噪声影响结果可被分别输出。对于频率范围较宽，模型规模较大的声场分析可以方便地结合Nastran的ACMS方法，同时利用并行计算技术、超单元技术，大大提高计算效率和精度。

♦ 水弹性流体单元法：该方法通常用来求解具有结构界面、可压缩性及重力效应的广泛流体问题。水弹性流体单元法可用于标准的模态分析、瞬态分析、复特征值分析和频率响应分析。当流体作用于结构时,要求必须指出耦合界面上的流体节点和相应的结构节点。自由度在结构模型中是位移和转角,而在流体模型中则是在轴对称坐标系中调和压力函数的傅利叶系数。类似于结构分析，流体模型产生"刚度"和"质量"矩阵,但具有不同的物理意义。载荷、约束、节点排序或自由度凝聚不能直接用于流体节点上。

♦ 虚质量法：虚质量法是仅考虑流体质量对结构的影响，主要用于以下流——固耦合问题的分析：

a) 结构沉浸在一个具有自由液面的无限或半无限液体里

b) 容器内盛有具有自由液面的不可压缩液体

c) 以上二种情况的组合,如船在水中而舱内又装有不充满的液体

Nastran的声场分析功能还集成了Actran的声学求解技术，不但可以进行内声场的分析，还可以进行外声场的分析。可以分析结构的声辐射，声传播，吸收，散射以及结构声振耦合问题等。并且最大的特点是可以求解大型结构的内外声结构耦合分析和优化，如整车的声响分析和动力系统的声辐射。

内外噪声

♦ Nastran的噪声分析拓展到无限区域，诸如汽车发动机、飞行器的的声辐射- 无限元技术

♦ 集成了经过测试和验证的MSC.Actran的无限元技术

♦ 不需要在结构和声学分析两个不同的程序之间进行复杂的数据传递

- 可以解决超大规模，全耦合的振动噪声耦合仿真问题。

- 可以计算结构辐射的声压、声强、声功率等，为结构件的声辐射能力提供定量描述。

自动部件模态综合法 -ACMS

ACMS(Automated Component Mode Synthesis)自动部件模 态综合法，使得工程师能够实现对大模型的动力响应分析和声 场分析，ACMS 法自动将一个大模型用区域分解法分成几个子 区域进行各个子结构的模态分析，然后进行模态综合，由此得 到整体结构的动力学特性。采用 ACMS 法可大大减少大模型的计算时间，例如对近1400万自由度的汽车模型（500Hz内2500阶模态），采用全模型标准的模态法频率响应分析(SOL 111)进行求解用时约26小时，而采用Nastran的ACMS方法用时只需4小时，同时占用的计算资源也大大降低，所以采用 Nastran的自动部件模态综合技术为大型结构的动力学分析在精度和计算速度上提供很好的解决方案。

在Nastran中，自动部件模态综合法(ACMS)得到了大大增强，新增加了矩阵域自动部件模态综合法(MDACMS)，此法基于自由度计算，与已有的几何域自动部件模态综合法（GDACMS）相比计算速度更快，而且模型越复杂，计算效率提升越明显；可应用于模态分析，瞬态分析，频响应分析及优化分析，对于多点约束（MPC）多的情况下计算效率更高。提供的多种区域划分方法（随求解类型变化）

♦ 几何区域划分（适用 SOL103,111,112,200）

♦ 频率域划分（适用 SOL 111, 200）

♦ 自由度域（适用 SOL 103,111,200）——新的缺省方法

♦ 几何域与频率域相结合(适用 SOL 111, 200)

♦ 矩阵域与频率域相结合(适用 SOL 200)

应用于不同求解类型：

♦  Nastran动力分析(SOL103, 111, 112)

◆ Nastran声学分析(SOL 108)

◆ Nastran设计优化(SOL 200)

◆ Nastran与ADAMS的集成

♦ 结构外部超单元技术

♦ 声学外部超单元技术（包含流体空腔和流固边界）

Nastran的ACMS技术可与分布式域并行计算技术（DMP）相结合，对频率范围较宽且有多个动力载荷的复杂模型，可大幅度提高计算速度和计算精度。

热传递分析

热传递分析通常用来校验结构零件在热边界条件或热环境下的产品特性,利用Nastran可以计算出结构内的温度分布状况,并直观地看到结构内潜热、热点位置及分布。用户可通过改变发热元件的位置、提高散热手段、绝热处理或用其它方法优化产品的热性能。

Nastran可以解决包括传导、对流、辐射、相变、热控系统在内的热交换现象,计算辐射视角系数，并真实地仿真各类边界条件,建立各种复杂的材料和几何模型,模拟热控系统,并能进行热——结构耦合分析。

Nastran提供了稳态和瞬态热分析的线性、非线性求解算法。

Nastran支持热结构链式分析和完全的热结构耦合分析。在热结构链式分析中，热分析的网格可以和结构分析的网格不同，热分析的结果将自动插值到结构网格中。支持热接触功能，热可以通过接触传递，大大方便了建模。为航天航空结构、汽车发动机、刹车系统、动力总成等的热分析提供了有力的解决工具。

设计灵敏度及优化分析

设计优化是为了满足特定优选目标如最小重量、最大第一阶固有频率或最小噪声级等的综合设计过程。Nastran拥有强大、高效的设计优化能力,其优化过程由设计灵敏度分析及优化两大部分组成，可对静力、模态、屈曲、瞬态响应、频率响应、气动弹性和颤振分析进行优化。高效的优化算法允许在大模型中定义成千上百个设计变量和响应。设计灵敏度支持并行环境下的计算，大大提高了设计灵敏度的计算效率。

除了具有用于结构优化和零部件详细设计过程的形状和尺寸优化设计的能力外, Nastran又集成了适于产品概念设计阶段的拓扑优化功能。拓扑优化是与参数化形状优化或尺寸优化不同的非参数化形状优化方法。在产品概念设计阶段,为结构拓扑形状或几何轮廓提供初始建议的设计方案。拓扑优化采用Homogenization方法,在满足结构设计区域的剩余体积（质量）比的约束条件下，对静力分析满足最小平均柔度或最大平均刚度,在模态分析中,满足最大基本特征值或指定模态与计算模态的最小差。目前的拓扑优化设计单元为一阶壳元和实体单元。集成在Nastran中的拓扑优化,通过特殊的DMAP工具,建立了新的拓扑优化求解序列。拓扑优化还包括Topometry功能，它可以以每个单元作为设计变量，根据设定的目标，优化每个单元的厚度（材料分布）；Topography（形貌）优化，优化板壳的形貌。拓扑优化的过程中可以考虑加工工艺要求，以保证优化后的结构能被制造出来。Topometry优化还支持复合材料层厚度的优化。

另外，Nastran 还有以下全新的优化功能：

- 综合了尺寸、形状和拓扑优化，更快速的找到优化路径

-  外噪声响应优化，可以将汽车的NVH优化分析扩展到外声场

- 随机优化

-  Sol 200可以有粘接接触，这个是特有的装配体优化功能

- 非线性优化

- 部件超单元优化，使用超单元技术，提高优化效率

- 与Adams耦合优化

Nastran的优化功能可以实现多学科优化，可以进行以下分析类型及其组合分析的优化。

♦ 静力分析 (SOL 101)

♦ 模态分析 (SOL 103)

♦ 屈曲分析 (SOL 105)

♦ 直接法复特征值分析 (SOL 107)

♦ 直接法频率响应分析 (SOL 108)*

♦ 模态法复特征值分析 (SOL 110)

♦ 模态法频率响应分析 (SOL 111)*

♦ 模态法瞬态响应分析 (SOL 112)*

♦ 静气弹分析 (SOL 144)

♦ 颤振分析 (SOL 145)

凡是标♦号的都可以进行噪声优化。